一種5G信號接收機的本振合成裝置

湯瑞

摘 要：5G有3個關鍵性能指標：更快的峰值速率、高連接數密度和更低的延遲，這些關鍵指標的實現需要更高的頻率和更大的帶寬。接收機需要更高頻率和更寬帶寬的本地振蕩器才能實現對5G信號的精確分析。介紹一種利用寬帶壓控振蕩器實現滿足3GPP R16版本要求的5G FR1信號接收機的本振合成裝置。

關鍵詞：頻率合成器；5G；接收機；寬帶

5G一直被稱為是行業應用的5G，5G有三大應用場景，分別是eMBB（增強型移動寬帶）、URLLC（超高可靠低時延）、mMTC（海量機器類終端通信）。5G技術的發展離不開高性能5G信號接收機和發射機的支持。隨著5G的不斷演進和5G垂直行業應用的不斷深入，5G相關指標和技術不斷更新，這些變化都對5G信號接收裝置提出了新的要求，需要更大的帶寬、更快的響應速度、更精確的解調精度等[1-3]。本文采用寬帶VCO、鑒相器、分頻器、預分頻器等組成的鎖相環方案，實現了一種可以覆蓋3GPP R16版本要求的5G FR1頻段的5G接收機本振發生裝置。

1 方案設計

5G信號接收機，一般由本振模塊、接收通道模塊、高速信號傳輸模塊、數字信號分析模塊、工控控制模塊等部分組成，本文介紹了一種可以覆蓋3GPP R16版本規定5G FR1頻段（410～7 125）MHz無線頻率范圍新要求的本振裝置。

采用基于寬帶高性能VCO（ADI公司HMC773LC4B） 的本振模塊，輸出（10～20）GHz的本振信號是5G信號分析儀整機射頻電路的核心模塊，其功能塊包括：參考環電路、鑒相電路、Σ-Δ調制、預分頻電路、耦合反饋回路及FPGA控制電路等。HMC983LP5E功能框圖如圖1所示，其工作頻率為DC～7 GHz，因此需要在鎖相環反饋回路中添加預置四分頻器HMC447LC3，將頻率變為（2.5～5）GHz。

方案中的各個模塊原理圖及功能簡介如下：圖2為100 MHz參考環路模塊，通過HMC1031MS8E鑒相比較，實現10 MHz鎖定100 MHz參考環路；圖3為寬帶鎖相環路模塊，通過HMC983LP5E分頻器、HMC984LP4E鑒相器、有源環路濾波器、寬帶耦合微帶電路、預分頻電路實現（10～20）GHz的寬帶鎖相環路。

2 實驗過程

本文研制過程中的一種5G信號接收機的本振合成裝置的原理圖和PCB繪制使用的是Altium Design工具。按照1中的方案描述，使用Altium Design工具繪制了對應原理圖和PCB，使用SMT將元器件焊接在板上，完成本振合成裝置。接口方面，有為整機提供的10 MHz參考輸入；100 MHz參考輸出，為整機點頻第二、第三本振提供參考；（10～20）GHz本振輸出，為接收通道混頻模塊提供激勵本振源，完成頻率變換；FPGA下載接口用于在線調試和bit文件燒寫；96芯接插件為本振合成裝置與整機母板之間的電源、數據線、地址線、控制線提供通路。圖4為完成的本振合成裝置正面圖片。紅色部分為FPGA控制模塊的主要本振頻率控制功能；藍色部分為10 MHz外部參考，鎖定到100 MHz，用于（10～20）GHz鎖相環的參考和整機其他模塊；黃色部分為本振合成裝置的供電模塊，為FPGA、VCO、放大器、開關、分頻器、鑒相器等提供+5 V、+15 V、+30 V、-15 V等電源；紫色部分為本振裝置的核心模塊，包括鑒相器、小數分頻器、寬帶耦合器、寬帶壓控振蕩器、微帶帶通濾波器、預置4分頻器等，完成100 MHz參考輸入實現（10～20）GHz寬帶信號輸出，為5G信號接收機提供本振源。

3 測試結果

將本方案的本振合成裝置接入有接收通道裝置、頻譜分析裝置、寬帶信號分析裝置、鍵盤控制裝置、工控接口裝置、顯示裝置、二/三本振裝置、時鐘參考裝置等的5G信號接收機中，配合驅動程序、硬件控制程序、顯示程序等組成完整的5G信號接收機，通過對5G FR1 100 MHz帶寬的標準5G信號分析能夠呈現本振合成裝置的性能。使用射頻線纜連接矢量信號源與裝入本振合成裝置的5G信號接收機，信號源發射1 GHz中心頻點的100 MHz帶寬上行PUSCH信號，5G信號接收機配置對應參數，解析界面如圖5所示。解調結果表明，EVM均值為1.49%，頻率誤差為-4.94 Hz，IQ_offset為-36.55 dB。

4 結束語

通過寬帶VCO的鎖相環實現高頻寬帶、高性能的本振方案，可以滿足5G信號接收裝置的需求，依照本方案設計的本振合成裝置成功應用到了5G信號接收機，正移植到5G信號發生器中。

參考文獻：

[1] 遠坂俊昭.鎖相環（PLL）電路設計與應用[M].何希才，譯.北京：科學出版社，2006.

[2] 杜勇.鎖相環技術原理及FPGA實現[M].北京：電子工業出版社， 2016.

[3] 陳山枝，胡金玲，等.蜂窩車聯網（C-V2X）.[M].北京：人民郵電出版社，2020.

[4] Hittite Microwave Corporation.HMC984LP4E DIGITAL PHASE-FREQUENCY DETECTOR[Z].Chelmsford：Hittite.

[5] Hittite Microwave Corporation.HMC983LP5E DC-7 GHZ FRACTIONAL-N DIVIDER AND FREQUENCY SWEEPER[Z].Chelmsford：Hittite.